KR101098662B1 - 엔진 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료의 자기 점화 장치를 구비한 왕복 피스톤 내연 엔진, 배기 가스 터보 과급기, 및 배기 가스 열을 증기로 전환시키는 장치를 포함하는 엔진 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 엔진 시스템에서는 고압의 배기 가스가 추진되는 다단 과급기 군의 터빈과 저압의 배기 가스가 추진되는 터빈 사이의 배기 가스 라인에 제1 배기 가스 보일러가 배치되고, 모든 터빈의 하류의 배기 가스 라인에 제2 배기 가스 보일러가 배치되도록 함으로써 최대한 고압 및 고온을 갖는 증기를 얻을 수 있게 된다.

Description

엔진 시스템{ENGINE SYSTEM}
도 1 및 도 2는 본 발명의 2개의 실시예를 각각 개략적으로 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2, 6, 8, 12 : 배기 가스 라인
3, 9 : 터빈
7, 13 : 배기 가스 보일러
16, 20, 21 : 바이패스 라인
18, 19, 25 : 라인
17, 18, 22, 23, 26, 27 : 스톱 밸브
본 발명은 연료의 자기 점화 장치를 구비한 왕복 피스톤 내연 엔진, 배기 가스 터보 과급기, 및 배기 가스 열을 증기로 전환시키는 장치를 포함하는 엔진 시스템에 관한 것이다.
그러한 유형의 대형 왕복 피스톤 내연 엔진을 구비한 시스템은 선박과 고정 시설인 발전소에 사용된다. 그 경우, 배기 가스 열을 전환시키는 장치에 의해, 예 컨대 증기 터빈을 구동시키는데 사용되거나 가열 목적으로 사용되거나 공정 증기로서 사용되는 증기가 생성된다.
그로부터 출발된 본 발명의 목적은 다단으로 과급되는 왕복 피스톤 내연 엔진에 적합한 증기를 가능한 한 고압 및 고온으로 공급하는 엔진 시스템을 제공하는 것이다.
그러한 목적은 고압의 배기 가스가 추진되는 다단 과급기 군의 터빈과 저압의 배기 가스가 추진되는 터빈 사이의 배기 가스 라인에 제1 배기 가스 보일러가 배치되고, 모든 터빈의 하류의 배기 가스 라인에 제2 배기 가스 보일러가 배치되도록 함으로써 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시 양태에서는 제1 보일러가 2단 과급기 군의 고압 터빈과 저압 터빈 사이에 배치되고, 제2 보일러가 저압 터빈의 하류에 배치된다.
제2 배기 가스 보일러의 출구는 제1 배기 가스 보일러의 입구에 접속되는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 배기 가스 온도를 상승시킴이 없이 왕복 피스톤 내연 엔진의 하류에서 배기 가스 열의 2단 이용이 이루어질 수 있게 된다. 배기 가스의 열로써 증기 터빈용 증기를 생성해야 할 경우에는 제1 배기 가스 보일러가 과열기로서 작용하게 된다.
나머지 종속 청구항들에는 각각의 적용 사안 및 작동 상태에 대해 왕복 피스톤 내연 엔진의 출력과 증기의 압력 및 온도 사이의 최적화를 가능하게 하는 개별 적으로 조치되거나 조합되어 조치되는 개별 방안들이 기재되어 있다.
이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하면서 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1에는 왕복 피스톤 내연 엔진이 도면 부호 1로 지시되어 있는데, 그 하류에는 2단 과급기 군이 접속된다. 그러한 왕복 피스톤 내연 엔진(1) 중에서 도면 부호 2로 지시된 배기 가스 라인의 제1 섹션은 터빈(3)으로 인도되고, 그 터빈(3)은 축(4)을 경유하여 압축기(5)를 구동시킨다. 터빈(3)과 압축기(5)는 과급기 군의 고압 단을 형성한다. 터빈(3)으로부터 배기 가스 라인의 추가의 섹션(6)이 제1 배기 가스 보일러(7)로 인도된다. 그러한 배기 가스 보일러(7)를 통해 나오는 배기 가스는 이어서 배기 가스 라인의 섹션(8)을 경유하여 터빈(9)에 도달되는데, 그 터빈(9)은 축(10)에 의해 압축기(11)와 커플링된다. 터빈(9)과 압축기(11)는 과급기 군의 저압 단을 형성한다. 배기 가스는 터빈(9)으로부터 배기 가스 라인의 섹션(12)을 경유하여 제2 배기 가스 보일러(13)에 도달된다. 제2 배기 가스 보일러(13)의 출구는 라인(18)을 경유하여 제1 배기 가스 보일러(7)의 입구에 접속된다. 여기서, 제2 배기 가스 보일러(7)의 출구에 부설된 라인(19)으로부터 추가의 사용처, 예컨대 가열 시스템으로 인도되는 라인(25)이 분기된다. 그 라인(25)은 물론 라인(19)도 역시 상이한 통과 흐름량으로 세팅될 수 있는 스톱 밸브(26 또는 27)를 구비한다. 그 경우, 라인(25)은 배기 가스 보일러(13)로부터 직접 나올 수도 있다.
시스템의 작동 시에는 2개의 터빈(3, 9)에 압력 강하의 분배와 유사하게 온도 하강의 분배도 이루어지게 된다. 2개의 터빈 사이의 온도는 터빈(3)의 상류에 서의 온도와 터빈(9)의 하류에서의 온도 사이에 있다. 배기 가스 보일러(7)는 2개의 터빈 사이에 배치되기 때문에, 상대적으로 높은 증기 온도가 얻어질 수 있다. 배기 가스 보일러(7, 13)에 의해 생성되는 증기가 증기 터빈 과정에 사용된다면, 그것은 증기 터빈의 효율이 상대적으로 높다는 것을 의미한다.
배기 가스 보일러(7, 13)의 치수는 통과되는 체적류에 의해 결정된다. 터빈(3, 9) 사이에서는 배기 가스가 아직 완전히 감압되지 않기 때문에, 배기 가스 보일러(7)를 통한 체적류는 터빈(9)의 하류에서보다 더 작다. 그로 인해, 배기 가스 보일러(7)의 치수가 작게 선택될 수 있게 된다.
과급 공기는 압축기(11) 및 연이은 열 교환기(14)를 통해 흐르는데, 열 교환기(14)에서는 과급 공기가 냉각된다. 과급 공기는 열 교환기(14)로부터 고압 배기 가스 과급기의 압축기(5)에 도달되고, 그로부터 추가의 열 교환기(15)를 통해 왕복 피스톤 내연 엔진(1)으로 인도된다.
왕복 피스톤 내연 엔진(1)의 부하가 바뀔 경우에는 터빈(3, 9) 사이에 배치된 배기 가스보일러(7)가 축열기로서 작용한다는 문제점이 생긴다, 그로 인해, 터빈(9)에 대한 배기 가스 에너지 공급이 부하 변경에 뒤지는 결과가 초래된다. 그를 피하기 위해, 배기 가스 보일러(7)는 바이패스 라인(16)에 의해 우회될 수 있다. 바이패스 라인(16)은 섹션(6)으로부터 출발하여 섹션(8)으로 연통된다. 바이패스 라인(16)은 상이한 통과 흐름량으로 세팅되는 것이 바람직한 스톱 밸브(17)를 수납하고 있다. 섹션(6)에서는 바이패스 라인(16)의 분기점과 제1 배기 가스 보일러(7) 사이에 추가의 스톱 밸브(18)가 배치된다. 스톱 밸브(17)가 통과 흐름량 제 어를 위해 설계된 것일 경우, 스톱 밸브(18)도 역시 동일하게 형성된다. 2개의 스톱 밸브(17, 18)는 도면에 도시되지는 않았지만 스톱 밸브(17)의 개방에 의해 그와 동시에 스톱 밸브(18)의 폐쇄가 이뤄지도록 적절하게 커플링될 수 있다. 스톱 밸브(17, 18)를 시의적절하게 작동시킴으로써, 배기 가스가 고정된 작동 시에 배기 가스 보일러(7)를 통해 인도되거나 부하 변경 시에 배기 가스 보일러를 지나쳐 인도될 수 있게 된다.
배기 가스 보일러(7)에 의해 배기 가스 에너지를 인출하는 결과, 왕복 피스톤 내연 엔진의 과급 압력이 하강된다. 그것은 일정한 한계 내에서 허용될 수 있다. 그러나, 과급 압력 강하가 지나치게 클 경우에는 열적 문제점이 생길 수 있다. 그럴 경우, 터빈(3, 9) 중 하나 이상이 상이한 통과 흐름량으로 세팅될 수 있는 라인 장치를 구비할 수 있다.
다른 대안은 왕복 피스톤 내연 엔진이 제어 작동 시간의 가변적 세팅을 위한 장치를 구비하도록 함으로써 주어진다. 그것은 예컨대 4행정 왕복 피스톤 내연 엔진의 경우에 흡기 밸브의 제어 작동 시간이 가변적으로 되도록 함으로써 이루어지게 된다. 2행정 왕복 피스톤 내연 엔진의 경우에는 배기 밸브의 제어 작동 시간이 가변적으로 세팅될 수 있도록 형성될 수 있다. 4행정 왕복 피스톤 내연 엔진에서 흡기 밸브를 나중에 폐쇄시키거나 2행정 왕복 피스톤 내연 엔진의 경우에 배기 밸브를 조기에 폐쇄시킴으로써, 증기 생성이 많을 경우에 과급 압력 강하의 영향이 저지될 수 있게 된다.
도 2에는 다른 실시 양태가 도시되어 있다. 여기서, 도 1에 따른 시스템과 일치하는 부분에는 동일한 도면 부호가 부여된다. 도 1에 따른 배치에 추가하여, 각각의 터빈(3, 9)과 병렬로 바이패스 라인(20 또는 21)이 마련된다. 각각의 바이패스 라인(20, 21)은 스톱 밸브(22 또는 23)를 수납하고 있다. 그러한 스톱 밸브(22, 23)도 역시 상이한 통과 흐름량으로 세팅될 수 있다. 도시된 실시예에서는 바이패스 라인(20, 21)이 바이패스 라인(16)에 접속되어 양자의 터빈(3, 9)을 우회하는 바이패스가 이뤄질 수 있게 된다. 그러나, 단 하나의 바이패스 라인(20 또는 21)만을 마련하는 것도 가능하다.
바이패스 라인(20, 21)은 세팅될 수 있는 라인 장치를 구비하거나 밸브 제어 작동 시간이 가변적인 터빈에 대한 대안이다. 배기 가스 보일러(7)에 의해 배기 가스로부터 열이 인출되는데, 스톱 밸브(18)가 개방되고 스톱 밸브(17)가 폐쇄되면, 과급 압력이 낮아진다. 그 경우, 스톱 밸브(22, 23)는 폐쇄된다. 배기 가스 보일러(7)가 스톱 밸브(18)의 폐쇄와 스톱 밸브(17)의 개방에 의해 차단되면, 더 이상 배기 가스 보일러에 의해 배기 가스로부터 열이 인출되지 않는다. 그로 인해 과급 압력이 상승한다. 그것을 보상하기 위해, 스톱 밸브(22, 23)를 개방시킬 수 있다. 그럼으로써, 터빈(3, 9)이 필요한 과급 압력을 유지시키는 정도로만 배기 가스를 받게 된다. 이는 배기 가스가 배기 가스 보일러(13)로 직접 유동할 것을 요구하지 않는다. 그 경우, 스톱 밸브(27)도 역시 폐쇄시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 엔진 시스템에서는 고압의 배기 가스가 추진되는 다단 과급기 군의 터빈과 저압의 배기 가스가 추진되는 제1 배기 가스 보일러의 터빈 사이의 배기 가스 라인 및 모든 터빈의 하류에 제2 배기 가스 보일러가 배치되도록 함으로 써 다단으로 과급되는 왕복 피스톤 내연 엔진에 적합한 증기를 최대한 고압 및 고온으로 공급할 수 있게 된다.

Claims (12)

  1. 연료의 자기 점화 장치를 구비한 왕복 피스톤 내연 엔진, 배기 가스 터보 과급기, 및 배기 가스 열을 증기로 전환시키는 장치를 포함하는 엔진 시스템에 있어서,
    고압의 배기 가스가 추진되는 다단 과급기 군의 터빈(3)과 저압의 배기 가스가 추진되는 터빈(9) 사이의 배기 가스 라인(2, 6, 8, 12)에 제1 배기 가스 보일러(7)가 배치되고, 모든 터빈의 하류의 배기 가스 경로에 제2 배기 가스 보일러(13)가 배치되며,
    제2 배기 가스 보일러(13)의 출구는 라인(18)을 경유하여 제1 배기 가스 보일러(7)의 입구에 접속되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 배기 가스 보일러(7)는 2단 과급기 군의 고압 단의 터빈(3)과 저압 단의 터빈(9) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 라인(19)에는 스톱 밸브(27)가 수납되고, 제2 배기 가스 보일러(13)의 출구에는 다른 사용처로 인도되고 스톱 밸브(26)가 수납된 추가의 라인(25)이 접속되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 제1 배기 가스 보일러(7)를 우회하는 바이패스 라인(16)이 마련되고, 그 바이패스 라인(16) 및 바이패스 라인(16)의 분기점과 제1 배기 가스 보일러(7) 사이의 배기 가스 라인의 섹션(6)에는 스톱 밸브(17, 18)가 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 하나 이상의 터빈(3, 9)을 우회하는 바이패스 라인(20, 21)이 마련되고, 그 각각의 바이패스 라인(20, 21)에는 스톱 밸브(22, 23)가 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 스톱 밸브(17, 18, 22, 23, 26, 27)는 상이한 통과 흐름량으로 세팅될 수 있는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 바이패스 라인(16)에 있는 스톱 밸브(17)와 배기 가스 라인(6)에 있는 스톱 밸브(18)는 서로 커플링되어 공동으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 터빈(3, 9)은 상이한 통과 흐름량으로 세팅될 수 있는 라인 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 왕복 피스톤 내연 엔진은 제어 작동 시간을 가변적으로 세팅하는 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 4행정 왕복 피스톤 내연 엔진을 구비하고, 흡기 밸브의 제어 작동 시간이 가변적인 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 2행정 왕복 피스톤 내연 엔진을 구비하고, 배기 밸브의 제어 작동 시간이 가변적인 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
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